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Dokumentenidentifikation DE4300574C2 03.04.1997
Titel Fahrzeug-Drehstromlichtmaschinen-Gleichrichtereinrichtung
Anmelder Hitachi, Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Saito, Akihiro, Katsuta, JP;
Mashino, Keiichi, Katsuta, JP;
Honda, Yoshiaki, Katsuta, JP;
Maeda, Yuuji, Hitachiota, JP;
Narita, Kazutoyo, Hitachi, JP
Vertreter Bardehle, Pagenberg, Dost, Altenburg, Frohwitter, Geissler & Partner Patent- und Rechtsanwälte, 81679 München
DE-Anmeldedatum 12.01.1993
DE-Aktenzeichen 4300574
Offenlegungstag 15.07.1993
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.04.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse H02K 11/04
IPC-Nebenklasse H02P 9/48   H02K 19/36   H01L 23/28   H01L 23/36   H01L 29/866   H02K 11/02   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Gleichrichtereinrichtungen zum Gleichrichten einer Ausgangsspannung, die von einer Drehstromlichtmaschine für Fahrzeuge, wie z. B. einem Auto, erzeugt wird, und im speziellen auf eine Fahrzeug-Drehstromlichtmaschinen-Gleichrichtereinrichtung, die zum Unterdrücken einer Überspannung und zum Reduzieren eines Funkrauschens geeignet ist.

In letzter Zeit hat die Art und die Anzahl elektronischer Bauelemente, die an Fahrzeugen als elektrische Lasten montiert sind, so deutlich zugenommen, daß eine Fehlfunktion dieser elektronischen Bauelemente ein Problem wird. Um die Fehlfunktion der elektronischen Bauelemente zu vermeiden, muß eine Gleichspannung, die von einem dann Gleichrichter erhalten wird, wenn der Gleichrichter eine Ausgangsspannung einer Drehstromlichtmaschine erhält, die von einem Automotor angetrieben wird, davon abgehalten werden, eine Überspannung zu erzeugen.

Um die elektronischen Bauelemente vor der Überspannung zu schützen, setzt man bei einer herkömmlichen Gleichrichtereinrichtung für eine Fahrzeug-Drehstromlichtmaschine als Gleichrichterelemente Zenerdioden ein, die einen Durchbruch bei einer relativ geringen Spannung verursachen, wie offenbart in den japanischen Patentveröffentlichungen JP-2B 54-5083 und JP-A 63-240336.

In der US-PS 4,604,538 ist ein luftgekühlter Wechselstromgenerator zur Verwendung bei Motorfahrzeugen gezeigt, bei dem Lawinendioden vom Siliziumtyp als Dioden für Brückengleichrichter verwendet werden.

Außerdem ist die Mesatechnik als Verfahren der Halbleitertechnik zur Herstellung von Halbleiterbauelementen in der Mikroelektronik allgemein bekannt, wie es z. B. aus Meyers Enzyklopädischem Lexikon, Band 16, Seite 96, Bibliographisches Institut Mannheim, 1976, ersichtlich ist.

In der US-PS 4,232,238 ist ein Gleichrichteraufbau für einen Wechselstromgenerator zur Verwendung in Fahrzeugen beschrieben, der aus mehreren Halbleiter-Gleichrichtereinrichtungen aufgebaut ist.

Wenn die Zenerdioden in dem Auto montiert werden, dann sollten die folgenden Punkte berücksichtigt werden:

  • (1) Da die Gleichrichtereinrichtung für eine Fahrzeug-Drehstromlichtmaschine im Motorraum des Autos befestigt ist, ist sie hohen Temperaturen ausgesetzt, also unter harten Temperaturbedingungen eingesetzt.
  • (2) Da die Gleichrichtereinrichtung für eine Fahrzeug-Drehstromlichtmaschine ständig mit einer Autobatterie verbunden ist, selbst wenn das Auto nicht gefahren wird, wird ein Sperrstrom durch die Gleichrichterelemente erzeugt, was dazu führt, daß die Autobatterie entladen wird.
  • (3) Ein Funkrauschen, das von dem Gleichrichtereinrichtung für eine Fahrzeug-Drehstromlichtmaschine erzeugt wird, muß unterdrückt werden.


Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Gleichrichtereinrichtung für eine Fahrzeug-Drehstromlichtmaschine bereitzustellen, die Zenerdioden verwendet, die an Hochtemperaturbedingungen, wie in dem Motorraum eines Autos, angepaßt werden können.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine Gleichrichtereinrichtung für eine Fahrzeug-Drehstromlichtmaschine bereitzustellen, die an die Hochtemperaturbedingungen wie die eines Motorraums eines Autos angepaßt werden kann, und die den Sperrstrom und das Funkrauschen reduzieren kann.

Gemaß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, damit die Gleichrichtereinrichtung an Hochtemperaturbedingungen angepaßt werden kann, werden Mesastruktur-Zenerdioden, die eine Wärmeabgabe durch Wärmeleitung verwirklichen können, als Gleichrichterelement eingesetzt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann unter Verwendung von P-Typ-Substrat-Zenerdioden eine befriedigende Zenercharakteristik erhalten werden, um einen Sperrstrom zu reduzieren. Da weiterhin die P-Typ-Substrat-Zenerdioden einen kleinen spezifischen Widerstand aufweisen, kann eine Sperrverzögerungszeit reduziert werden, um dadurch ein Funkrauschen zu reduzieren.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Fahrzeug-Drehstromlichtmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild einer Schaltung, die an der Ausgangsseite der Fahrzeug-Drehstromlichtmaschine von Fig. 1 bereitgestellt ist;

Fig. 3 eine Vorderansicht einer Kühlplatte, an der die Zenerdioden von Fig. 1 angebracht sind;

Fig. 4 eine Rückansicht der Kühlplatte von Fig. 3;

Fig. 5 ein Schaltbild einer Steuerungseinrichtung 23 von Fig. 2 in größerem Detail;

Fig. 6 bis 9B Schnittansichten, die jeweils Strukturen von Zenerdioden gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;

Fig. 10 & 11 Diagramme jeweils bekannter Strukturen;

Fig. 12 ein Diagramm, das charakteristische Kurven aus dem Vergleich der Charakteristik der erfindungsgemäßen Diode und Charakteristiken einer bekannten Diode zeigt;

Fig. 13 eine Tabelle, die Vergleichsresultate der erfindungsgemäßen Zenerdiode und der herkömmlichen Lawinendiode zeigt;

Fig. 14 einen Graph, der eine Wellenform eines Überspannungsstroms zeigt, die erhalten wird, wenn die Lawinendiode verwendet wird;

Fig. 15 einen Graph, der eine Überspannungscharakteristik einer Gleichrichterschaltung zeigt, die die erfindungsgemäße Zenerdiode einsetzt;

Fig. 16 ein Diagramm, das eine Sperrverzögerungszeit bei der herkömmlichen Lawinendiode zeigt;

Fig. 17 ein Diagramm, das eine Sperrverzögerungszeit bei der erfindungsgemäßen Zenerdiode zeigt; und

Fig. 18 ein Diagramm technischer Effekte, die durch die vorliegende Erfindung erzielt werden, in der Form einer Tabelle.

Die vorliegende Erfindung wird hiernach im Detail mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer Fahrzeug-Drehstromlichtmaschine. Bezugnehmend auf Fig. 1 wird eine Drehkraft eines Automotors durch einen Antriebsriemen (nicht gezeigt) auf eine Riemenscheibe 30 übertragen, um eine Welle 31 zu drehen, die auf Lagern 32 gelagert ist. Eine Erregerwicklung 10 ist an einem Rotor 36 angebracht, der im Gleichlauf mit der oben genannten Welle 31 gedreht wird. Ein Magnetfeld, das von der Erregerwicklung 10 erzeugt wird, und eine Wicklung 11 auf der Ständerseite der Fahrzeug-Drehstromlichtmaschine werden miteinander verkettet, um einen Wechselstrom (AC) in der Wicklung 11 zu erzeugen. Ein Gleichstrom- Ausgangsstrom von einer Gleichrichterschaltung, die unten beschrieben werden wird, wird an die Erregerwicklung 10 durch Schleifringe 34 geliefert.

Fig. 2 ist ein elektrisches Schaltbild, das eine Gesamtschaltungsanordnung der Ausgangsseite der Fahrzeug-Drehstromlichtmaschine von Fig. 1 zeigt. Wie gezeigt in Fig. 2, ist ein Block 1 in mit einem Punkt strichpunktierter Linie vorgesehen, der eine Dreiphasen-Drehstromlichtmaschine und eine zugehörige Gleichrichterschaltung einschließt. Wicklungen 11u, 11v und 11w sind in einer Y-Verbindungsweise verbunden. Ausgangsenden der jeweiligen Wicklungen 11u, 11v und 11w und ein neutraler Punkt 11n unter den Wicklungen 11u, 11v und 11w sind jeweils mit Zenerdioden 12 bis 19 verbunden und bilden eine Vollweg-Gleichrichterschaltung. Ein Ausgangsanschluß der Gleichrichterschaltung 1 ist mit der Erregerwicklung 10 und dann mit einer nachfolgenden Schaltung verbunden, die später beschrieben wird.

Die Zenerdioden 12 bis 19 sind mit der sichelförmigen Kühlplatte 35 verbunden (siehe auch Fig. 1), wie in Fig. 3 und 4 gezeigt. Fig. 3 zeigt eine Vorderseite der Kühlplatte 35 und Fig. 4 zeigt eine Rückseite davon. Die Kühlplatte 35 ist innerhalb eines Gehäuses der in Fig. 1 gezeigten Drehstromlichtmaschine montiert. Kühllüfter 33 sind an beiden Seiten des Rotors 36 angebracht, und ein Kühlluftstrom, der erzeugt wird, wenn die Kühllüfter 33 rotieren, kühlt die Kühlplatte 35, um Wärme von den Zenerdioden 12 bis 19 abzuführen.

In Fig. 3 und 4 bezeichnen die Bezugszeichen 37 und 38 herkömmliche Verbindungsabschnitte, die die Zenerdioden 12 bis 19 und die Zenerdioden 12 bis 19 und die Wicklungen 11u, 11v und 11w verbinden.

Zurückgehend auf Fig. 2 ist dort ein Halbleiterspannungssteuergerät vorgesehen, das durch einen Block 2 in strichpunktierter Linie in Fig. 2 gezeigt ist. Wie in Fig. 2 gezeigt, schließt das Halbleiterspannungssteuergerät 2 einen Leistungstransistor 21 zur Steuerung eines Erregerstroms der Erregerwicklung 10, einen Leistungstransistor 22 zur Steuerung einer Ladungswarnlampe 3, die den Ladungszustand einer Batterie 5 anzeigt, eine Steuerung 23 zum Steuern der obigen Leistungstransistoren 21 und 22, und eine Schwungraddiode (Erregerdiode) 24 ein. In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 4 einen Schlüsselschalter zum Starten des Autos, die Bezugszeichen 6, 6&min; bezeichnen eine Vielzahl von elektrischen Lasten und die Bezugszeichen 7, 7&min; bezeichnen Lastschalter für diese elektrischen Lasten 6, 6&min;.

Fig. 5 ist ein Schaltbild, das die Steuerung 23 in Fig. 2 genauer zeigt. In Fig. 5 bezeichnen Bezugssymbole a bis f Anschlüsse, die in Beziehung mit in Fig. 2 gezeigten Bezugssymbolen a bis f verbunden sind.

Bezugnehmend auf Fig. 5 wird eine Ausgangsspannung Vb (siehe Fig. 2) von der Gleichrichterschaltung 1 durch einen Anschluß b an eine Reihenschaltung eines Widerstands R1 und einer Zenerdiode 41 geliefert, wodurch eine konstante Spannung über die Zenerdiode 41 erzeugt wird. Eine Spannung der Batterie 5 wird durch einen Anschluß c an eine Reihenschaltung von Spannungsteilerwiderständen R2 und R3 geliefert. Eine geteilte Spannung von den Spannungsteilerwiderständen R2, R3 wird an einen negativen Eingangsanschluß eines Komparators 42 geliefert. Die über die Zenerdiode 41 entwickelte konstante Spannung wird über die Spannungsteilerwiderstande R4 und R5 geteilt, und eine geteilte Spannung wird an einen positiven Eingangsanschluß des Komparators geliefert. Wenn die Spannung der Batterie 5 auf hohen Pegel geht, dann wird die Spannung an dem negativen Eingangsanschluß des Komparators 42 höher als die Spannung an dessen positivem Eingangsanschluß, so daß der Komparator 42 einen Niedrigpegelausgang erzeugt. Dieser Niedrigpegelausgang wird durch den Anschluß f an den Leistungstransistor 21 (siehe Fig. 2) geliefert, und der Leistungstransistor 21 wird deshalb abgeschaltet, was dazu führt, daß der Feldstrom der Erregerwicklung 10 verringert wird. Umgekehrt, wenn die Spannung der Batterie 5 auf niedrigen Pegel geht, erzeugt der Komparator 42 einen Hochpegelausgang, und der Leistungstransistor 21 wird deshalb eingeschaltet, was dazu führt, daß der Feldstrom der Erregerwicklung 10 erhöht wird. Die Steuerungseinrichtung 23 wiederholt den obigen Betrieb, um die Batterie 5 zu steuern, so daß die Spannung der Batterie 5 auf einem konstanten Wert gehalten wird.

Eine Einweg-Gleichrichterspannung von der Gleichrichterschaltung 1 wird an den Anschluß a geliefert. Diese an den Anschluß a angelegte Spannung wird durch einen Widerstand R6 an eine Diode 43 und einen Kondensator 44 geliefert, in denen sie busgefiltert wird, und dann an einen negativen Eingangsanschluß eines Komparators 45 gespeist. Der Komparator 45 wird an seinem positiven Eingangsanschluß mit einer geteilten Spannung beliefert, die vom Teilen der über die Zenerdiode 41 entwickelten konstanten Spannung durch Spannungsteilerwiderstande R7, R8 resultiert. Wenn die Drehstromlichtmaschine unter der Bedingung abgeschaltet ist, daß der Schlüsselschalter 4 eingeschaltet ist, dann wird die Spannung nicht an den Anschluß a geliefert, so daß die Ausgabe des Komparators 45 auf hohen Pegel geht, um den Leistungstransistor 22 einzuschalten, wodurch die Ladungswarnlampe 3 erregt wird, um darzustellen, daß die Batterie 5 nicht normal geladen ist. Wenn auf der anderen Seite die Drehstromlichtmaschine angetrieben wird, dann geht die Ausgabe des Komparators 45 auf niedrigen Pegel, um den Leistungstransistor 22 auszuschalten, wodurch die Ladungswarnlampe 3 ausgeschaltet wird.

Gemäß der obigen Schaltungsanordnung wird, wenn eine Ausgangsleitung der Drehstromlichtmaschine mit einer Spannung Vb unterbrochen wird, während die Drehstromlichtmaschine bei hoher Drehzahl angetrieben wird, dann wird eine Batterielast-Entladeüberspannung, wie in Fig. 14 gezeigt, auf der Ausgangsleitung der Drehstromlichtmaschine auftreten. Demzufolge geht der Ausgang des Komparators 42 auf niedrigen Pegel, um den Leistungstransistor 21 abzuschalten, wobei der Erregerstrom von der Erregerwicklung 10 durch die Schwungraddiode 24 fließend gehalten wird. In diesem Fall, wenn herkömmliche Dioden als Gleichrichterzellen der Gleichrichterschaltung 1 verwendet werden, dann steigt die Ausgangsspannung Vb der Gleichrichterschaltung 1 vorübergehend sehr stark. Jedoch werden gemäß dieser Ausführungsform die Zenerdioden als Gleichrichterelemente verwendet, so daß die Ausgangsspannung Vb der Gleichrichterschaltung 1 durch eine Zenerspannung geklemmt wird. Damit kann die Überspannung daran gehindert werden, an das Halbleiterspannungssteuergerät 2 und die elektrischen Lasten 6, 6&min; angelegt zu werden.

Fig. 6 ist eine Schnittansicht, die eine Struktur einer Zenerdiode zeigt, die in der erfindungsgemäßen Gleichrichtereinrichtung als das Gleichrichterelement verwendet wird. In Fig. 6 bezeichnet das Bezugszeichen 50 einen Zenerdiodenchip. Dieser Zenerdiodenchip 50 weist Dreifachschichten auf, die durch Diffusion von N-Typ-Fremdatomen und P-Typ-Fremdatomen auf einem P-Typ-Substrat hergestellt werden und weist auch eine Mesastruktur auf, wie in Fig. 7A gezeigt. Eine N&spplus;-Seite des Zenerdiodenchips 50 ist mit einem Anschluß 53 mittels einer Lötung 51 verbunden, und eine P&spplus;-Seite davon ist mit einer Scheibe 54 mittels einer Lötung 52 verbunden. Die Scheibe 54 ist mit einem Metallgehäuse mittels einer Lötung 55 verbunden, und das Metallgehäuse 56 ist mit der Kühlplatte 35 (siehe Fig. 1) verbunden. Die Scheibe 54 ist aus einem Material, wie z. B. Kupfer (Cu), Molybdän (Mo) oder ähnlichem, hergestellt. Die Scheibe 54 spielt die Rolle einer Wärmesenke mit einer solchen Wärmekapazität, daß Wärme, die erzeugt wird, wenn ein großer Strom durch den Zenerdiodenchip 50 fließt, vorübergehend gespeichert und über die Zeit abgegeben wird. Diese Chipstrukturelemente sind in das Metallgehäuse 56 mit einer Versiegelung 57, die z. B. aus Silizium hergestellt ist, gefertigt, auf der eine Passivierung bewirkt wird. Der in Fig. 7A gezeigte Zenerdiodenchip 50 bildet ein negatives Element, wie in Fig. 7B gezeigt. Fig. 8 zeigt den Fall, in dem der Zenerdiodenchip 50 als ein positives Element gebildet ist. Die Struktur dieses in Fig. 8 gezeigten Zenerdiodenchips 50 ist in Fig. 9A und 9B veranschaulicht. Von Fig. 7A und 9A kann verstanden werden, daß das positive und das negative Element nur in Polarität unterschiedlich sind und können die gleiche Dreifachschichtenstruktur aufweisen. Demgemäß kann das positive Element und das negative Element über den gleichen Prozeß hergestellt werden.

Vorteile, die hervortreten, wenn der Zenerdiodenchip nach der vorliegenden Erfindung mit der Mesastruktur gebildet wird, werden unten beschrieben. Wenn der Zenerdiodenchip mit der Mesastruktur gebildet wird, wie in Fig. 6 und 8 gezeigt, dann kann der Zenerdiodenchip 50 mit dem Anschluß 53 oder der Scheibe 54 verbunden werden durch Löten der ganzen jeweiligen oberen und unteren Oberfläche. Damit können die jeweiligen Oberflächen des Zenerdiodenchips 50 vollständig eingesetzt werden, um Wärme abzuführen. Damit kann der Zenerdiodenchip 50 wirksam gekühlt werden. Da zusätzlich die Scheibe 54 als die Wärmesenke verwendet wird, kann die Kühlwirksamkeit viel stärker verbessert werden. Wenn auf der anderen Seite ein Chip mit einer Planarstruktur eingesetzt wird, wie in Fig. 10 gezeigt, obwohl eine Oberfläche (P-Typ-Seite) der oberen und unteren zwei Oberflächen des Chips 50 vollständig gelötet werden kann, dann muß die andere Oberfläche davon (N-Typ-Seite) innerhalb eines begrenzten Flächenbereichs gelötet werden. Demzufolge kann eine ausreichende Wärmestrahlungsfläche nicht erhalten werden. Damit kann ein solcher Zenerdiodenchip mit einer Planarstruktur im wesentlichen nicht unter den strengen Temperaturbedingungen der Praxis eingesetzt werden.

Die Mesastruktur weist eine einheitliche Gestalt ihrer Übergangsebene auf im Vergleich mit der Planarstruktur und demgemäß eine bessere Zenercharakteristik auf. Damit hat die Mesastruktur einen kleinen Sperrstrom.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Zenerdiode bereitgestellt, deren Chip durch Diffusion von Fremdatomen auf das P-Typ-Substrat gebildet wird. Auf diese Zenerdiode vom P-Typ-Substrat wird hiernach Bezug genommen. Deshalb ist in der Schichtstruktur innerhalb des Zenerdiodenchips, wie in Fig. 7A und 9A gezeigt, ein Abstand zwischen einem Übergangsabschnitt 47und einem Kantenabschnitt 48 relativ groß. Es gibt dann eine kleine Wahrscheinlichkeit, daß eine Zenercharakteristik beeinträchtigt werden wird, selbst wenn der Kantenabschnitt 48 mechanisch beschädigt wird. Damit kann die Zenerdiode der vorliegenden Erfindung eine zufriedenstellende Zenercharakteristik als eine elektrische Leistungszenerdiode erhalten. Somit kann die Zenerdiode dieser Erfindung den Sperrstrom beträchtlich reduzieren, der die Batterie entlädt.

Fig. 11 zeigt eine Struktur einer Zenderdiode, deren Chip durch Diffusion von Fremdatomen auf dem N-Typ-Substrat gebildet wird. Wie in Fig. 11 gezeigt, ist der Abstand zwischen dem Übergangsabschnitt 47 und dem Kantenabschnitt 48 vergleichsweise reduziert. Damit wird, wenn der Kantenabschnitt 48, auf dem eine mechanische Spannung konzentriert ist, beschädigt wird, eine Zenercharakteristik unweigerlich verschlechtert. Genauer, nachdem eine normale Zenercharakteristik, die durch eine durchgehende Kurve in Fig. 12 dargestellt wird, mit anderen Zenercharakteristiken verglichen wurde, wird gewürdigt werden, daß der Zenerdiodenchip mit dem beschädigten Kantenabschnitt einen Durchbruch bei einer niedrigen Spannung hervorruft, wie gezeigt durch eine mit zwei Punkten strichpunktierte Kurve , oder daß der obige Chip dazu tendiert, einen Leckstrom zu erzeugen, wie durch eine mit einem Punkt strichpunktierte Kurve gezeigt.

Wenn das P-Typ-Substrat verwendet wird - wenn sowohl das P-Typ-Substrat und das N-Typ-Substrat im spezifischen Widerstand gleich sind - dann kann eine Lebensdauer von Ladungsträgern um die Hälfte reduziert werden, verglichen mit dem Fall, daß das N-Typ-Substrat verwendet wird. Damit wird eine Lebensdauer von Ladungsträgern innerhalb des Chips reduziert mit der Folge, daß die Sperrverzögerungszeit reduziert wird.

Wenn die herkömmlichen Zenerdioden als die Gleichrichterzellen verwendet werden, kann die Überspannung unterdrückt werden. Wenn jedoch die Zenerdioden in der Dreiphasen-Voll-Gleichrichterschaltung in Kommutation sind, dann sind Zweiphasen-Zenerdioden in den Dreiphasen-Zenerdioden gleichzeitig leitend, und ein Kurzschluß tritt zwischen den Ausgangsenden der Zweiphasen-Wicklungen auf, was zu einem großen Strom in der Gleichrichterschaltung führt. Eine höhere harmonische Komponente des Überspannungsstroms wird an die Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung geliefert und wirkt als Funkrauschen, das einen schlechten Einfluß auf elektronische Bauelemente ausübt, die als Lasten dienen. Der Über- Spannungsstrom, der erzeugt wird, wenn die Zenerdioden in Kommutation sind, wird stärker erhöht, wenn die Sperrverzögerungszeit der Zenerdiode, d. h. eine Zeitperiode bis der Sperrstrom fortschreitend auf Null abgeschwächt wird, da eine an die Zenerdiode angelegte Spannung sich von der positiven Richtung zu der Sperrichtung geändert hat, länger wird. Das heißt, je länger die Sperrverzögerungszeit wird, umso stärker wird der Überspannungsstrom. Damit wird auch ein Funkrauschpegel erhöht. Da die erfindungsgemäße Zenerdiode, wie oben erwähnt, die Sperrverzögerungszeit reduzieren kann, kann der Überspannungsstrom, der erzeugt wird, wenn die Zenerdioden in Kommutation sind, reduziert und der Funkrauschpegel entsprechend abgesenkt werden.

Die erfindungsgemäße Zenerdiode weist den Übergangsabschnitt auf, der durch Diffusion von Fremdatomen auf die P-Typ-Scheibe gebildet wird, und kann damit kostengünstig hergestellt werden im Vergleich mit einer Zenerdiode der epitaktischen Bauart, weil bei der Zenerdiode der epitaktischen Bauart das Kristallwachstum länger dauert. Wenn ein Lebensdauerunterdrücker, wie z. B. Platin (Pt) oder Gold (Au), das injiziert wird, um die Sperrverzögerungszeit zu reduzieren, verwendet wird, dann werden Materialkosten und Prozeßkosten noch stärker erhöht. Da jedoch die erfindungsgemäße Zenerdiode die kurze Sperrverzögerungszeit aufweist, wie vorher bemerkt, ist der Lebensdauerunterdrücker nicht erforderlich. Damit kann die erfindungsgemäße Zenerdiode kostengünstig hergestellt werden.

Als Gleichrichterzellen, die in der Gleichrichterschaltung bei der Fahrzeug- Drehstromlichtmaschine verwendet werden, werden allgemein Lawinendioden gemäß dem Stand der Technik eingesetzt. Die Lawinendiode und die erfindungsgemäße Zenerdiode werden hiernach miteinander mit Bezug auf Fig. 13 verglichen werden. Die Haltespannung wird zuerst beschrieben werden. Während die Lawinendiode eine Lawinendurchbruchspannung von etwa 300 V aufweist, weist die erfindungsgemäße Zenerdiode eine Lawinendurchbruchspannung von etwa 30 V auf, d. h. im wesentlichen ein Zehntel der Spannung der Lawinendiode. Deshalb kann bei Verwendung der erfindungsgemäßen Zenerdiode vermieden werden, daß die Überspannung, die an der Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung erzeugt wird, einen schlechten Einfluß auf das elektronische Bauelement ausübt, das als Last dient. Ein spezifischer Widerstand innerhalb des Kristalls wird als nächstes beschrieben. Ein spezifischer Widerstand der erfindungsgemäßen Zenerdiode ist etwa 1/200 von jenem der Lawinendiode und eine Fremdatomkonzentration kann auch erhöht werden, wodurch die Sperrverzögerungszeit auf etwa 1/4 reduziert werden kann. Damit kann die erfindungsgemäße Zenerdiode die Überspannung effektiv davon abhalten, die Last zu beeinträchtigen und das Funkrauschen reduzieren.

Wenn die oben genannten Lawinendioden in der Gleichrichterschaltung verwendet werden, wenn ein Stromversorgungspfad zum Ganzen oder einem Teil des elektronischen Bauelements, das als Last dient, durch eine Unterbrechung oder einen Verbindungsausfall getrennt wird unter der Bedingung, daß die Umdrehungszahl der Drehstromlichtmaschine 10 000 Umdrehungen pro Minute beträgt wie in Fig. 14 gezeigt, dann steigt die Ausgabespannung der Ständerwicklung rapide und vorübergehend zuerst auf etwa 140 V und wird dann mit der Zeit fortschreitend gesenkt aufgrund des Betriebs der Schwungraddiode 24 (siehe Fig. 2). Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in Fig. 15 gezeigt, wird der Anstieg der Ausgangsspannung der Wicklung bei etwa 30 V beschränkt aufgrund der Zenercharakteristik und wird dann fortschreitend verringert aufgrund des Betriebs der Schwungraddiode 24, nachdem etwa 100 ms vergangen sind. Dann wird durch die Wirkung der Steuerungseinrichtung 23 die Ausgangsspannung der Wicklung bei etwa 15 V gehalten. Damit kann die vorliegende Erfindung die elektronische Schaltung vor der Überspannung schützen, die von der Drehstromlichtmaschine erzeugt wird.

Die vorgenannte Sperrverzögerungszeit wird beschrieben: Die Lawinendiode hat eine relativ große Sperrverzögerungszeit r, wie in Fig. 16 gezeigt. Demgemäß entspricht der Überspannungsstrom einem schraffierten Bereich, der durch das Referenzsymbol A in Fig. 16 gezeigt ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in Fig. 17 gezeigt, ist die Sperrverzögerungszeit τ klein, und der Überspannungsstrom wird beträchtlich klein, wie dargestellt durch einen schraffierten Bereich B.

Die Beschreibung wird mit Bezug auf Fig. 18 abgeschlossen. Wie zuvor erwähnt, ist die Zenerdiode mit einem Mesastruktur-Chip der Zenerdiode mit einem Planarstruktur-Chip überlegen hinsichtlich eines Gleichrichterzellen-Kühleffekts. Die P-Typ-Substrat-Zenerdiode ist der N-Typ-Substrat-Zenerdiode überlegen von einem Standpunkt der Zenercharakteristik, d. h. einem Standpunkt des Sperrstroms. Eine Studie des Vergleichs der Zenerdiode, die einen Mesastruktur-Chip hat, mit der Zenerdiode, die einen Planarstruktur- Chip hat, läßt insbesondere erkennen, daß der Planarstruktur-Chip dem Mesastruktur-Chip überlegen ist, weil der Planarstruktur-Chip frei von Beschädigung des Kantenabschnitts ist, und daß der Planarstruktur-Chip gegenüber dem Mesastruktur-Chip minderwertig ist von einem Standpunkt der Zenercharakteristik, weil die Form der Übergangsebene des Planarstruktur- Chips nicht gleichmäßig ist im Vergleich mit jener des Mesastruktur-Chips. Fig. 18 veranschaulicht die obigen verglichenen Resultate in der Form einer Tabelle, worin Kreise "überlegen" bedeuten, Kreuze "minderwertig" bzw. "unterlegen" bzw. Dreiecke "weder überlegen noch minderwertig" bedeuten. Eine Studie der Tabelle von Fig. 18 läßt erkennen, daß die beste Zenerdiodenstruktur die Mesastruktur ist, in der das P-Typ Substrat eingesetzt wird.

Während die erfindungsgemäßen Zenerdioden auf alle Gleichrichterzellen angewendet werden, wie oben mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. Wenn eine dieser Zenerdioden 12 bis 19 auf wenigstens eine Gleichrichterzelle angewendet wird, dann ist es möglich, die gleichen Effekte der vorliegenden Erfindung zu erzielen. Es ist wünschenswert, daß die erfindungsgemäßen Zenerdioden auf alle Gleichrichterzellen angewendet werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Fahrzeug-Drehstromlichtmaschinen-Gleichrichtereinrichtung, wobei:
    1. (a) eine Drehstromlichtmaschine von einem Fahrzeug zur Stromerzeugung angetrieben wird;
    2. (b) eine Gleichrichterschaltung (1, 12-19) zum Umwandeln des Wechselstromausgangs der Drehstromlichtmaschine in einen Gleichstrom vorgesehen ist; und
    3. (c) ein Spannungssteuergerät (2) zum Steuern der Gleichstromausgangsspannung der Gleichrichterschaltung vorgesehen ist, wobei wenigstens eines der in der Gleichrichterschaltung verwendeten Gleichrichterelemente eine Zenerdiode (12-19) ist, die eine von einem P-Typ-Substrat gebildete Mesastruktur aufweist und die über eine Wärmesenkenscheibe (54) mit einem Metallgehäuse (56) verbunden ist, und wobei die Zenerdiode (12-19) derart geschaltet ist, daß eine Überspannung der Ausgangsspannung der Drehstromlichtmaschine geklemmt ist.
  2. 2. Gleichrichterinstrument für eine Fahrzeug-Drehstromlichtmaschinenausgabe gemäß Anspruch 1, wobei die Zenerdiode ein Chip (50) ist, der durch Lötung mit der Wärmesenkenscheibe (54) verbunden ist.
  3. 3. Gleichrichterinstrument für eine Fahrzeug-Drehstromlichtmaschinenausgabe gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Zenerdiode ohne Injektion eines Lebensdauerunterdrückers hergestellt ist.






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